一種基于LEACH的無線傳感網(wǎng)絡路由協(xié)議

一種基于LEACH的無線傳感網(wǎng)絡路由協(xié)議無線傳感網(wǎng)絡（WirelessSensorNetwork，WSN）是一種廣泛應用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、工業(yè)自動化等領域的分布式網(wǎng)絡。WSN能夠?qū)崟r、連續(xù)地感知環(huán)境信息，自組織布局，自適應調(diào)整，具有廣闊的應用前景。但是，WSN存在能源有限、傳輸帶寬低、節(jié)點分布隨機等問題，因此路由協(xié)議設計成為關鍵問題。本文主要介紹一種基于LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy）的無線傳感網(wǎng)絡路由協(xié)議，旨在解決WSN中能耗問題，延長網(wǎng)絡生命周期。一、leach介紹LEACH協(xié)議是一種典型的分簇路由協(xié)議，在WSN中有著廣泛的應用。LEACH的主要思想是在傳感器節(jié)點之間形成簇，每個簇由一個選舉的簇首節(jié)點來協(xié)調(diào)和控制簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，將無線傳感節(jié)點劃分為多個簇，每個簇內(nèi)部的節(jié)點之間采用局部通信的方式交換數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎摹Ｅc其他路由協(xié)議相比，LEACH具有節(jié)點分布靈活、自適應性強、協(xié)議控制復雜度低等優(yōu)點，因此被廣泛研究和應用。二、基于leach的WSN路由協(xié)議設計a.簇首節(jié)點選擇LEACH簇首節(jié)點的選舉通常采用概率模型進行選擇。本論文基于LEACH協(xié)議的思想，在每個輪次期間內(nèi)、將網(wǎng)絡節(jié)點分為不同的簇，每個節(jié)點有相等的機會成為各自簇內(nèi)的簇首節(jié)點。通過均勻的分布，將簇首節(jié)點的負載均衡分攤，可以有效延長無線傳感網(wǎng)絡的生命周期。在簇首節(jié)點的選舉過程中，協(xié)議引入了能耗因素，優(yōu)先選取能耗比較小的節(jié)點。b.數(shù)據(jù)傳輸機制在LEACH協(xié)議中，簇內(nèi)的節(jié)點將數(shù)據(jù)通過簇內(nèi)的簇首節(jié)點進行傳輸，因此協(xié)議需要嚴格控制簇首節(jié)點的能耗才能有效延長網(wǎng)絡的生命周期。本論文引入了多跳轉(zhuǎn)發(fā)機制，將每個簇內(nèi)距離簇首節(jié)點較近的節(jié)點負責部分轉(zhuǎn)發(fā)。通過多個節(jié)點共同進行數(shù)據(jù)傳輸，分攤了簇首節(jié)點的能耗，避免節(jié)點能量不均衡的情況出現(xiàn)，實現(xiàn)了能量的有效管理。同時，在非簇首節(jié)點與簇首節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸時，協(xié)議引入了最短路徑的路由機制，減少數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r延。c.加入節(jié)點WSN中，雖然網(wǎng)絡節(jié)點分布不穩(wěn)定，但是通常需要向網(wǎng)絡中動態(tài)加入一些節(jié)點，對協(xié)議的要求則是能夠盡快地進行穩(wěn)定的簇首節(jié)點選舉和數(shù)據(jù)傳輸。因此本論文引入了自適應的簇選舉機制，在新節(jié)點進入網(wǎng)絡后，能夠快速地重新集成網(wǎng)絡，不會造成網(wǎng)絡節(jié)點之間的不同步和丟失數(shù)據(jù)的情況。三、性能優(yōu)化為了更好的優(yōu)化協(xié)議的性能，本論文在基于LEACH的WSN路由協(xié)議中引入了以下優(yōu)化措施。a.能量控制無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能量是瓶頸問題。因此，本論文加入了能量控制策略，控制每個節(jié)點的能量消耗，最大化網(wǎng)絡生命周期的同時保證網(wǎng)絡節(jié)點充電的均衡消耗。b.分布式優(yōu)化與傳統(tǒng)路由協(xié)議相比，在網(wǎng)絡規(guī)模較大和節(jié)點分布隨機的情況下，連接表的維護和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的策略難以構(gòu)建，而分布式算法則能夠有效優(yōu)化這類問題。本論文基于分布式算法的思想，在LEACH協(xié)議的基礎上，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式轉(zhuǎn)發(fā)和簇首節(jié)點的選舉，降低了網(wǎng)絡整體復雜度，提高了協(xié)議的可擴展性。四、實驗結(jié)果為了驗證本文所提出的基于LEACH的無線傳感網(wǎng)絡路由協(xié)議的有效性和可行性，本論文使用Python模擬器進行實驗。實驗結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)傳輸距離相同時，本文所提出的協(xié)議相比于傳統(tǒng)的LEACH路由協(xié)議，具備了更高的能源利用效率。在能量平衡和網(wǎng)絡生命周期上，突破了傳統(tǒng)路由協(xié)議的性能瓶頸，能夠在節(jié)約能源的同時保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行。五、結(jié)論無線傳感網(wǎng)絡是一種廣泛應用的分布式網(wǎng)絡，目前協(xié)議的研究和應用仍然面臨挑戰(zhàn)。本文以LEACH路由協(xié)議為基礎，設計了一種基于LEACH的無線傳感網(wǎng)絡路由協(xié)議，并加入了能量控制、分布